一种基于头部偏转的飞行控制方法、装置和飞行器

技术领域

本发明属于飞行器控制领域，具体涉及一种飞行控制方法、装置和飞行器。

背景技术

科技的发展推动武器装备的不断发展，精确打击作战思想的运用对飞行器提出了越来越高的要求。

飞行器受限于其模型结构，难以在短时间内改变其推力方向，从而改变飞行姿态，难以进一步缩短追击距离。而如果采用推力矢量发动机或喷管，不仅工艺水平要求较高，同时维护成本较大，不具备经济性。

因此，如何快捷有效的改变飞行器的飞行姿态，提高飞行器的机动性并优化飞行路线便成了主要问题。

发明内容

发明目的：针对现有技术的问题，本发明提供一种基于飞行器头部偏转的飞行控制方法及装置。在超/高超声速飞行途中，通过改变飞行器头部的偏转，快速改变飞行器所受到的力矩，从而快速改变飞行器的飞行姿态，使飞行器消耗更少的时间达到更有效的机动操作。

本发明还提供一种相应的飞行器。

技术方案：第一方面，提供一种基于头部偏转的飞行控制方法，应用于要追击目标飞行器的飞行器上，所述方法包括以下步骤：

获取飞行器的飞行姿态，包括实时空速的分量、迎角的角速度和飞行高度，获取目标飞行器的距离并计算目标飞行器的飞行速度及飞行轨迹；

基于飞行器的飞行姿态和目标飞行器的飞行轨迹或预设的目的地，根据飞行器偏转的动力学方程计算飞行器的飞行路线，确定初步优化路线；

根据初步优化路线，控制飞行器的动作偏转机构，改变飞行器头部偏转角度，使飞行器所受力矩发生变化，从而改变飞行器的飞行姿态，其中所述动作偏转机构设置于飞行器的机身与机头之间，能够沿着飞行器的中心轴实现不同角度的偏转，并且带动飞行器头部发生偏转；

对飞行器头部偏转效果进行耦合，判断是否进入最佳飞行姿态，如果未进入最佳飞行姿态，则实时更新飞行姿态并优化飞行路线，并调整飞行器头部偏转，调整飞行器飞行姿态。

优选地，计算目标飞行器的飞行速度及飞行轨迹包括：获取目标飞行器的距离，确定目标飞行器的位置，根据目标飞行器随时间的位置变化，计算目标飞行器的飞行速度，并确定其飞行轨迹。

优选地，确定初步优化路线包括：将飞行器的速度和飞行器的姿态角代入飞行器偏转后的轨迹方程得到飞行器质心大致运动路线，将飞行器的角速度分量和姿态角代入飞行器绕质心的转动方程得到飞行器绕质心转动的姿态变化；根据飞行器本身的性能在当前高度选择合适的飞行操纵区间，即确定飞行器安全的速度区间和姿态角，根据当前运动速度和姿态角在该区间内根据目标飞行器的动向求解追击问题曲线，根据求解路线中的各个时态的速度和姿态角代入反解飞行器的轨迹方程和绕质心的转动方程，预估出飞行器飞行时头部偏转的偏转方向和操纵量α；其中飞行器偏转后的轨迹方程为：

式中，F为全机受到的合外力向量，m

飞行器绕质心的转动方程为：

式中，M为对质心O的合外力矩，b

J

优选地，动作偏转机构通过转接底座和转接台将飞行器头部与飞行器机体链接，转接底座上装有电机平台，电机平台内具有多个独立的单元分别对多根支撑杆进行机械控制，通过对支撑杆的高度分布进行调整，实现转接台的绕中心轴的偏转，从而控制飞行器头部偏转。

优选地，根据初步优化路线，控制飞行器的动作偏转机构，改变飞行器头部偏转角度包括：通过电机平台对多根支撑杆的高度分布进行调整，调整动作模块前端的偏转角度，进而实现对飞行器头部进行偏转控制。

优选地，对飞行器头部偏转效果进行耦合，判断是否进入最佳飞行姿态包括：根据飞行器的实时飞行数据判断当前飞行器的飞行姿态和飞行速度是否满足整体最优航线路线规划，若飞行路线偏差度在指定范围内，则能满足航线的准确性，飞行器头部偏转角度还在允许工作的范围内，此时则处于最佳飞行姿态。

第二方面，提供一种飞行控制装置，包括感知模块、控制模块、动作模块，其中，

感知模块包括飞行器机载传感器和激光雷达，激光雷达用于捕捉目标飞行器的距离，飞行器机载传感器用于记录飞行器的飞行姿态，包括实时空速的分量、迎角的角速度和飞行高度，感知模块将获取的数据传送给控制模块；

控制模块用于基于飞行器的飞行姿态和目标飞行器的飞行轨迹或预设的目的地，根据飞行器偏转的动力学方程计算飞行器的飞行路线，确定初步优化路线；根据初步优化路线，控制动作模块发生偏转，使飞行器所受力矩发生变化，从而改变飞行器的飞行姿态；以及对飞行器头部偏转效果进行耦合，判断是否进入最佳飞行姿态，如果未进入最佳飞行姿态，则实时更新飞行姿态并优化飞行路线，并调整飞行器头部偏转，调整飞行器飞行姿态；

动作模块设置在飞行器的机身与机头之间，用于根据控制模块的指令沿着飞行器的中心轴实现不同角度的偏转，使飞行器的头部发生不同幅度转动。

优选地，所述动作模块通过转接底座和转接台将飞行器头部与飞行器机体链接，转接底座上装有电机平台，电机平台内具有多个独立的单元分别对多根支撑杆进行机械控制，通过对支撑杆的高度分布进行调整，实现转接台的绕中心轴的偏转，从而控制飞行器头部偏转。

优选地，飞行控制装置还包括激波杆，所述激波杆沿着机头主体中心轴线延伸方向设置于飞行器头部，所述激波杆在飞行器头部发生偏转时被带动发生转动。

第三方面，提供一种飞行器，所述飞行器包括如第二方面所述的飞行控制装置，或者所述飞行器的飞行控制系统被配置为执行如第一方面所述的飞行控制方法。

有益效果：本发明的飞行控制方法通过实时获取飞行器的飞行数据来偏转飞行器头部，快速改变飞行器的飞行姿态及飞行轨迹，从而提高飞行器的机动性，进而提高打击目标的精确性，缩短飞行时间。

附图说明

图1是本发明实施例提供的飞行器的侧视图；

图2是本发明实施例提供的飞行控制装置结构图；

图3是本发明实施例提供的动作模块结构图；

图4是本发明实施例提供的飞行器的头部偏转飞行控制方法的流程图。

附图标记说明：

1：机体(机身)，2：机载传感器，3：控制模块，4：动作模块，5：机头主体，6：激光雷达，7：激波杆，8：供电模块，9：转接底座，10：电机平台，11：支撑杆，12：信号杆，13：转接台。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1所示，本发明实施例中，飞行器从侧面所示，包括机体1，机体也称为机身，与机身连接的机头主体5，设置于机头外部的激波杆7。其中α为机头与机体中轴的偏转角度。

图2为本发明实施例提供的飞行控制装置结构图，除了图1所示的构件外，飞行控制装置包括：机载传感器2、控制模块3、动作模块4、激光雷达6、供电模块8，机载传感器2和控制模块3安装在机体1内部，激光雷达6安装在机头主体5内部靠近机头端部的位置，动作模块4安装在机体1与机头主体5之间，供电模块8从内部接入至机体1，并连接至机载传感器2、控制模块3、动作模块4、激光雷达6，为这些组件传输电力。

机载传感器2和激光雷达6构成本发明所述的感知组件。感知组件与动作模块4连接，控制模块3用于控制感知组件和动作模块4的工作。具体而言，控制模块3的输入端与激光雷达6和飞行器飞行姿态信息系统连接，动作模块4的输入端与控制模块3连接。机载传感器2用于记录飞行器的飞行姿态，包括飞行器的实时空速的分量、迎角的角速度和飞行高度。激光雷达6用于捕捉敌方飞行器的距离。控制模块3进一步计算敌方的飞行速度与飞行轨迹；控制模块3根据敌我两方飞行器的速度与飞行轨迹的计算或者预设置的目的地，优化飞行器的飞行路线，确认我方飞行器的初步优化路线；根据优化路线，控制模块3控制动作模块4发生偏转，使我方飞行器受到较大的力矩，快速改变飞行器的飞行姿态，使其在短时间内快速改变飞行轨迹。

根据本发明的实施方式，动作模块4是一种特制的自由转动的机械机构，内部存在多根均匀分布的支撑杆，外部为涂有防热材料的碳钎维涂层。飞行途中，动作模块将根据控制模块的指令实现多角度的偏转，其中动作模块可以绕飞行器中心轴线实现360°任意角度方向的偏转，其中其可以在中心轴上绕任意平面偏转的角度范围为0～15°。参照图3，动作模块4通过转接底座9和转接台13将飞行器头部与飞行器机体链接，转接底座上装有电机平台10，电机平台内具有6个独立的单元分别对6根支撑杆11进行机械控制，通过对支撑杆的高度分布进行调整，即可实现转接台13的绕中心轴的偏转，从而控制飞行器头部偏转。同时为了传递飞行器头部与机身的信号，在电机平台上连接有塑性较强的信号杆12，通过信号杆内连接信号线传递信号。

在飞行器头部增加的激波杆7可以进一步提升装置对飞行姿态控制的效果，如图1所示，在控制飞行器头部转动的同时，也能同时对激波杆进行转动，从而控制飞行器的前缘激波。前缘激波的改变，会使飞行器所受力矩大幅变化，使飞行器的飞行姿态更快速的进行改变。

通过上述描述可知，在本发明提供的偏转飞行控制装置中，通过感知组件的飞行数据，使得控制模块下令动作模块对飞行器头部偏转进行控制，快速改变飞行器的飞行姿态及飞行轨迹。与现有技术相比，本发明的控制技术可以精确识别并打击目标，并可以极大的改变飞行器飞行姿态与飞行轨迹，能有效的提高超/高超声速飞行器的机动性。

本发明提供的一种飞行控制方法，应用质点系动量定理建立偏转头部的飞行器运动方程如下：

其中F为全机受到的合外力向量，K为全机所有质点的动量之合。机体和机头中质点微元的动量K

其中e

由于对全机总动量求导得到的偏转机头飞行器轨迹方程中带有机头、机体的姿态耦合项,不利于后续轨迹的研究，又因为从量纲上面分析，姿态耦合项对于全机动量的贡献是可以忽略的，所以全机中的所有质点的动量之和可以简化为：

所以飞行器偏转后的轨迹方程可以简化为：

其中

根据质点系动量矩定理，对质心O的合外力矩为M,全机质点对质心的动量矩为H,则偏转飞行器绕质心的转动运动方程为：

其中b

H≈b

其中：

将上述式子和动量矩方程代入偏转飞行器绕质心的转动运动方程，即可得到化简的转动方程：

w

通过得到的飞行器的轨迹方程和转动方程获得了完整的偏转飞行器模型的动力学方程，进而可以预测和计算飞行器在头部偏转过后，飞行器的飞行轨迹和飞行姿态角的变化。在实际运行中，在控制模块收集完对应数据后进行计算，可以获得飞行器的飞行路线，同时提前预测飞行器可能进入不可控的飞行包线，降低飞行风险。

参照图4，结合上述飞行控制装置，本发明提供的一种飞行控制方法，包括如下步骤：

在步骤101中，激光雷达6和机载传感器2、控制模块3全天候开启，当识别到打击目标后或需要飞行器快速变换飞行姿态改变飞行轨迹时，装置开始进入变体模式；

在步骤102中，控制模块3接受激光雷达6和飞行器机载传感器2的数据信息，获取飞行器上的实时空速的分量、迎角的角速度和飞行高度；

在步骤103中，控制模块3根据激光雷达6获取敌方目标的数据，获得目标的位置变化，计算敌方飞行器大致的飞行速度和飞行轨迹；

在步骤104中，控制模块3根据上述步骤102和步骤103得到的数据，为了保证突发事件时，数据具有的时效性，将上述数据代入简化过后飞行器的运动学方程和动力学方程，在较少的计算内确定飞行器可以选择路线的合适区间。具体而言，将飞行器的速度和飞行器的姿态角代入飞行器偏转后的轨迹方程可以得到飞行器质心大致运动路线，将飞行器的角速度分量和姿态角代入简化后的转动方程可以得到飞行器绕质心转动的姿态变化；根据飞行器本身的性能在当前高度选择合适的飞行操纵区间，即确定飞行器安全的速度区间和姿态角，根据当前运动速度和姿态角在该区间内根据敌方目标的动向求解追击问题曲线，根据求解路线中的各个时态的速度和姿态角代入反解简化后飞行器的轨迹方程和绕质心的转动方程，即可以预估飞行器飞行时头部偏转的偏转方向和操纵量α。根据飞行器的飞行包线，在合适的区间内确定整体航线路线规划的最优性，在接近敌方目标后，在保证飞行器最大机动性能和追击速度下,优化飞行路线，目的是使飞行器快速接近敌方目标同时保证飞行器头部拥有最大操纵量，具有快速改变飞行器飞行的机动性，保证飞行器的可控性。

在步骤105中，控制模块3根据优化的飞行路线，在飞行途中需要及时调整飞行器的飞行姿态，以保证正确的飞行速度与飞行路线，其中飞行器头部偏转角α通过控制模块3根据飞行器所需偏转的滚转、偏航和俯仰角实时控制，通过控制飞行器头部偏转改变飞行器的气动外形，产生较大的气动力矩，飞行器在较大的飞行力矩下会快速改变飞行器整体的飞行姿态角；为了保证在航的准确性，控制模块采用PID控制动作模块4，动作模块4根据控制模块3对头部偏转的偏转方向和偏转角，通过电机平台10对多根支撑杆11的高度分布进行调整，因为支撑杆的高度分布发生变化，转接台会向高度较低的支撑杆偏转，转接台与飞行器的头部进行连接，进而可以实现对飞行器头部进行偏转控制，在头部偏转过后，飞行器内部传感器2会对飞行器当前的飞行速度和飞行姿态进行监测，保证飞行器的飞行状态与预定路线的飞行状态相吻合，保证飞行控制的有效性，最终达到调整飞行器的飞行姿态以及飞行速度。

在步骤106中，控制模块3根据传感器获取的实时数据判断当前飞行器的飞行姿态和飞行速度是否满足整体最优航线路线规划，若能满足航线的准确性，飞行路线偏差度较小，飞行器头部偏转角度还在允许长期工作的范围内，此时则处于最佳飞行姿态，如果未进入最佳飞行姿态，飞行器实时更新并优化飞行路线，并调整飞行器头部，调整飞行器飞行姿态；如果飞行器进入最佳飞行姿态，则进入步骤107，算法结束。

本发明运用地面坐标系、机体坐标系、轨迹坐标系等坐标系，对飞行器的路线进行优化。根据算法运算，并对飞行器头部偏转效果进行耦合，计算得出飞行器的最速飞行轨迹。本发明能够快速改变飞行器的飞行姿态及飞行轨迹，从而提高飞行器的机动性，进而提高打击目标的精确性，缩短飞行时间。